La espectroscopia ultrarrápida de terahercios revela nuevos conocimientos sobre el movimiento ultrarrápido de los electrones en el grafeno y en materiales magnéticos.
El trabajo del proyecto LIGHTER, dirigido desde Alemania, en el que se ha estudiado la interacción entre luz y materia en escalas de tiempo ultrarrápidas, ha aportado resultados muy relevantes para físicos e ingenieros. El proyecto, financiado mediante una beca de integración de carrera Marie Curie para el investigador Dmitry Turchinovich, ha aprovechado la espectroscopía avanzada de terahercios para estudiar algunos aspectos fundamentales de la electrónica. «Queríamos conocer cómo los electrones de materiales tecnológicamente relevantes, como metales ferromagnéticos y grafeno, entre otros, interactúan con los campos eléctricos en la escala de tiempo ultrarrápida de picosegundos o más rápida», explica el profesor Turchinovich que, durante el proyecto, dirigió un grupo de investigación del Instituto Max Plank de Investigación de Polímeros en Mainz (Alemania). «Estas escalas de tiempo son fundamentales para la dinámica elemental en sólidos». La teoría de Mott, finalmente demostrada Las memorias magnéticas modernas, como los discos duros de ordenador de alta capacidad, almacenan información en forma de bits magnéticos diminutos y se consultan utilizando sensores magnéticos nanométricos llamados válvulas de espín. Las válvulas de espín funcionan sobre la base de la idea de la conducción eléctrica en metales ferromagnéticos, propuesta por el físico británico Nevill Mott en 1936. Según la teoría de Mott, en estos metales, las corrientes eléctricas se transportan mediante dos tipos de electrones con espines opuestos, que experimentan resistencias distintas al moverse por el metal. «Encontramos una forma de desentrelazar experimentalmente estas corrientes separando los electrones con el espín hacia arriba y hacia abajo», explica el profesor Turchinovich. Utilizando la espectroscopia ultrarrápida de terahercios, los investigadores lograron contar el número de electrones con el espín hacia arriba o hacia abajo y medir con qué rapidez se desaceleran dentro del metal. Esta fue la primera observación directa de la teoría fundamental de Mott y también permitió a los investigadores comprender mejor la tecnología moderna de memorias magnéticas. «Vimos que las mediciones tradicionales en escalas de tiempo más lentas infravaloraban de forma notable la asimetría del espín, que es la responsable del funcionamiento de los sensores magnéticos», explica el profesor Turchinovich. Este método, publicado en Nature Physics, contribuye a un campo totalmente nuevo (la espintrónica de terahercios) y proporciona a los científicos una forma de evaluar fácilmente distintos compuestos magnéticos con el fin de determinar los más adecuados para obtener dispositivos eficientes. Reglas de la termodinámica Una segunda investigación fue el estudio de cómo el grafeno conduce la electricidad a frecuencias muy elevadas, lo cual es relevante para la nueva generación de electrónica ultrarrápida. El equipo de LIGHTER utilizó solo medios ópticos para crear las condiciones de campos eléctricos intensos de alta frecuencia propios de un transistor dentro del grafeno con el fin de medir directamente la respuesta electrónica. «Al hacer pasar una corriente eléctrica a través del grafeno, su población de electrones libres, que normalmente se describe como si fuese un líquido, se ‘evapora’ y se convierte en algo más parecido a un gas, lo cual cambia notablemente las propiedades conductoras del material», dice el profesor Turchinovich. «En definitiva, la forma en que el grafeno conduce la electricidad depende, simplemente, de la temperatura de este gas de electrones». Esto hace que la descripción de la electrónica del grafeno sea muy sencilla: esencialmente, basta con aplicar algunas leyes básicas de conservación», añade. Este descubrimiento se publicó en Nature Communications el 16 de julio de 2015. El profesor Turchinovich cree que esta nueva información ayudará a avanzar en el desarrollo de productos. «Los ingenieros pueden utilizar nuestro modelo termodinámico sencillo para predecir el comportamiento de sus transistores o fotodetectores de grafeno y optimizarlos», concluye. Los nuevos conocimientos de LIGHTER han dado lugar a veintisiete artículos publicados durante el proyecto de cuatro años. Hacia el fin del proyecto, su éxito contribuyó a la incorporación del profesor Turchinovich como profesor de física de la Universidad de Duisburg-Essen (Alemania).
Palabras clave
LIGHTER, conductividad, metales ferromagnéticos, grafeno, termodinámica, ultrarrápido, espectroscopia de terahercios, espintrónica
